Ingenieurs van afvalwaterrecyclingfabrieken kunnen gerust zijn, wetende dat hun methoden voor het minimaliseren van de vorming van een krachtig carcinogeen gericht zijn op de juiste chemische verbinding.

USC Viterbi universitair docent Daniel McCurry, niet-gegradueerde student Meredith Huang en masterstudent Shiyang Huang hebben de chemische stof bevestigd die verantwoordelijk is voor de vorming van het kankerverwekkende N-nitrosodimethyalmine, of NDMA, in hergebruikt afvalwater. Ze begonnen hun studie nadat tegenstrijdige bevindingen opdoken in de milieuonderzoeksgemeenschap, waardoor aarzeling ontstaat bij de adoptie van NDMA-interventiemethoden in behandelcentra. Hun werk werd gepubliceerd in Brieven over milieuwetenschap en technologie als de omslagstudie van maart.

"De recente droogte in Californië en de daaropvolgende kwetsbaarheid voor water hebben de belangstelling voor waterrecycling vergroot, " zei Meredith Huang, de eerste auteur van de studie. "Echter, desinfectiebijproducten zoals NDMA, gevormd tijdens de behandeling van afvalwater, zijn schadelijk voor de mens en introduceren een aantal problemen wanneer het doel is herconsumptie."

Eind jaren 90, hoge concentraties NDMA werden gevonden in wat verder extreem schoon gerecycled afvalwater was, die in de meeste staten wordt geloosd in rivieren die worden gebruikt als bronnen voor drinkwater. Deze ontdekking was het begin van een jarenlange onderzoeksinspanning door verschillende laboratoria om erachter te komen hoe de schadelijke chemische verbinding zich vormde.

"De concentratie van NDMA waar we ons zorgen over maken is zeer, heel laag, " zei McCurry, die werkt bij het Sonny Astani Department of Civil and Environmental Engineering. "In tegenstelling tot veel organische verontreinigende stoffen in drinkwater, waar de wettelijke limiet in het bereik van microgram per liter kan liggen, voor NDMA, de regelgevende richtlijn varieert op veel plaatsen van 10 nanogram per liter tot 100 nanogram per liter. Dus, drie tot vier orden van grootte lager in concentratie omdat het gewoon een super krachtige kankerverwekkende stof is."

Het meeste gerecyclede afvalwater dat als drinkwater zal worden gebruikt via een proces dat bekend staat als hergebruik van drinkwater, gaat eerst de grond in voordat het naar een drinkwaterinstallatie gaat. De bodem werkt als een filter, het verwijderen van chemicaliën en het afbreken van schadelijke verbindingen zoals NDMA. Maar de hoge kosten van het in en uit de grond pompen van water hebben geleid tot een toegenomen belangstelling voor direct hergebruik van drinkwater. waarbij gerecycled afvalwater rechtstreeks naar een drinkwaterinstallatie gaat.

"NDMA is een van de grootste obstakels voor direct hergebruik van drinkbaar water, omdat het echt moeilijk is om grondige traditionele zuiveringsprocessen kwijt te raken. "Zei McCurry. Het is daarentegen gemakkelijker en betaalbaarder om de NDMA-concentraties te verlagen door de moleculen die verantwoordelijk zijn voor de vorming ervan te elimineren.

Oorspronkelijk, onderzoekers ontdekten dat NDMA het resultaat is van de chloreringsstap van het gerecyclede afvalwaterzuiveringsproces. specifiek, dichlooramine, een ondergeschikt bestanddeel van het chloormengsel, veroorzaakt de vorming van NDMA. Deze bevindingen leidden ertoe dat zuiveringsinstallaties de chloorchemie gingen manipuleren om de dichlooramineconcentraties te verlagen en, uiteindelijk, NDMA-vorming verminderen.

Echter, onderzoekers waren nog steeds onzeker over waarmee dichlooramine reageerde om NDMA te vormen tot vijf jaar geleden, toen onderzoekers in Toronto ontdekten dat bepaalde geneesmiddelen, zoals de antacidum Zantac, kan NDMA vormen wanneer het wordt gechloreerd in afvalwaterachtige omstandigheden. Vervolgens, andere onderzoekers begonnen het vormingsmechanisme van Zantac-achtige chemicaliën te onderzoeken.

"Ze besloten dat het monochloramine was dat verantwoordelijk was, in tegenstelling tot verschillende praktische onderzoeken die aantonen dat het minimaliseren van dichloramine in echt gerecycled afvalwater de vorming van NDMA minimaliseert, " zei McCurry. "Ze kwamen tot de verkeerde conclusie omdat monochloramine en dichloramine onderling converteerbaar zijn. Dus, experimenteel, het is vrij moeilijk om ze te scheiden."

Met dit in gedachten, McCurry en zijn team hebben hun experiment zorgvuldig ontworpen om conversies tussen de twee moleculen te voorkomen door veel lagere doses te gebruiken. Vervolgens, door systematisch een reeks monochloramine- en dichloramine-doses toe te passen op farmaceutische precursoren, ze waren in staat om te bepalen welk molecuul de oorzaak was van de vorming van NDMA.

De resultaten

Om hun aanpak te verifiëren, ze gebruikten eerst een voorlopermolecuul met een bekende reactie, dimethylamine, en vergeleken hun experimentele resultaten met die van een computermodelleringsprogramma voordat de vier andere voorlopers werden getest. Het model, die geen reactie van monochlooramine en dimethylamine tot NDMA omvat, overeenkwamen met hun experimentele resultaten en bewezen dat vorming van NDMA uit monochloramine niet bestaat of onbelangrijk is.

"Ons artikel toonde aan dat dichlooramine verantwoordelijk is voor de vorming van NDMA uit deze voorlopers van farmaceutica. En we konden zien dat je meer en meer NDMA krijgt naarmate je monochloramine verhoogt, maar dat komt alleen omdat monochloramine overgaat in dichloramine, "Zei McCurry. "Dus, onze resultaten van fundamenteel chemisch werk ondersteunen de praktische observatie dat het minimaliseren van dichlooramine de vorming van NDMA minimaliseert."

Hoewel hun onderzoek de identiteit bevestigt van de verbinding die verantwoordelijk is voor de vorming van NDMA en zuiveringsinstallaties aanmoedigt om door te gaan met het toepassen van interventiemethoden, hun werk is verre van voltooid. Shiyang Huang werkt momenteel aan een model dat het volledige mechanisme van NDMA-vorming in detail laat zien.

"Onze resultaten zijn gebaseerd op NDMA-opbrengstexperimenten die alleen rekening houden met de eindproducten van de reacties. De exacte route van voorlopers naar NDMA is nog niet ontdekt, Shiyang Huang zei. "Als we het volledige mechanisme begrijpen, zouden we meer informatie krijgen om uit te leggen welke factor - pH, temperatuur, andere chemicaliën - zouden in de praktijk de vorming van NDMA beïnvloeden."